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为解决钙钛矿薄膜在喷雾沉积过程中结晶质量差的难题，青岛能源所崔光磊＆邵志鹏、KAUST Stefaan De Wolf、山东师大唐波等人提出了一种“局部高浓度（LHC）结晶策略”，通过调控溶剂配位环境，在喷涂过程中实现钙钛矿的均匀成核与取向生长。该技术首次在喷涂钙钛矿太阳能电池中实现了25.5%的光电转换效率（认证效率25.2%），14cm²迷你组件效率 22.5%，曲面电池效率突破 23.2%，且能在 80% 相对湿度下稳定制备，为钙钛矿器件的规模化、多场景应用奠定了基础。文章以Confined crystallization strategy enabling high-quality perovskite film for advanced photovoltaics为题发表在Joule期刊上。
核心技术亮点
➤ 局部溶剂簇限制结晶：采用强弱配体溶剂组合构建 LHC 前驱体限制A位离子扩散，使其与铅碘团簇近距离接触，在喷涂液滴中形成局部高浓度前驱体，促进体相预成核，避免咖啡环效应。
➤高湿度与复杂表面兼容：突破环境湿度限制，在 80% R.H. 条件下仍能制备高效器件（PCE 23.1%），且无需旋涂即可在非可展曲面、复杂金属基底上实现紧密贴合沉积。
➤ 机器学习优化溶剂体系：通过高斯过程回归模型关联 6 种溶剂参数与器件性能，精准优化溶剂配比，为多组分溶剂体系提供量化设计方案。
➤ 厚度可调与规模化潜力：实现从数十纳米到微米级的厚度可控沉积，成功制备 10cm×10cm 大面积均匀薄膜，迷你组件效率达 22.5%，具备建筑集成、车载光电等应用前景。
图文分析
溶液环境对 A 位离子（FA⁺）扩散范围的影响
图A直观展示了两种策略的结晶路径：LR 体系中 FA⁺扩散不受限，导致多过程竞争成核和杂质相生成；而 LHC 体系通过弱配体约束形成局部高浓度簇，实现可控表面沉积。图B、C的径向分布函数证明，LHC 状态下 FA⁺在Pb²⁺周围 0.4-0.8nm 范围内的分布概率更高，空间关联性更强。图E-H 的光谱数据进一步验证：LHC 体系中[PbI₃]⁻特征峰显著，FA⁺的 - NH₂质子屏蔽效应更强，表明A 位阳离子与铅碘簇的结合更紧密，有效抑制了溶剂化中间相形成，为高质量结晶提供了分子级基础。
钙钛矿前驱体液滴结晶过程监测
图A表明当强 / 弱配体（NMP/ACN）体积比为1/8 时，FAI 的饱和溶解度降至最低，易形成过饱和前驱体。图B 的动态监测表明，LHC液滴在蒸发过程中快速达到过饱和状态，触发本体预成核；而 LR 液滴始终处于不饱和状态，延迟结晶。图C 的 SEM 图像直观呈现：LHC液滴结晶后无咖啡环效应，颗粒均匀；LR 液滴则出现明显的边缘富集和孔隙。图D-H 的时间分辨光谱和 GIWAXS 数据证实，LHC体系可直接生成 α-FAPbI₃（100）取向晶体，结晶过程无杂质相介入，而 LR 体系需经历 PbI₂- 配体中间相的转变，导致结晶无序和缺陷增多，这也是两者器件性能差异的关键原因。
钙钛矿薄膜的形貌与光电性能
图A的截面 SEM 表明LHC 策略可制备厚度均匀、无孔隙的贯穿晶粒薄膜，且通过自校正结晶机制缓解应力积累；而 LR 薄膜厚度波动大，存在大量杂质和空隙。图B、C 的表面结果证实，LHC薄膜的表面粗糙度（R.M.S. =14.2nm）与旋涂薄膜相当，远低于LR 薄膜的 265.9nm。图D-F的光电性能测试揭示了核心优势：LHC 薄膜的平均荧光寿命（0.917μs）是LR 薄膜（0.015μs）的60 倍，体相缺陷密度低至 10¹⁴-10¹⁵ cm⁻³，且顶部界面缺陷显著减少。这些数据表明，LHC 策略不仅优化了薄膜形貌，更从根本上降低了非辐射复合中心密度，为高效电荷输运提供了结构保障。
喷涂钙钛矿太阳能电池性能表征
图A、B的机器学习模型创新之处在于，将溶剂分子量、偶极矩等 6 个参数与PCE 关联，预测出 DMF:NMP:ACN=0.053:0.082:0.865 时效率最优。图C-E的核心数据验证了这一预测：冠军器件的 J-V 曲线显示其Voc 1.19V、短路电流 25.2 mA/cm²、FF 0.849，PCE 达 25.5%；EQE积分电流与 J-V 测试高度吻合，稳态输出效率稳定在 25.1%。图F的对比表明，该效率远超近年来报道的喷涂钙钛矿电池（多低于 23%）。图G的稳定性测试显示，未封装器件在氮气中经 1600 小时光照后，PCE仍保持初始值的 90% 以上，证明高结晶质量带来了优异的光稳定性，为其实际应用提供了关键支撑。
喷涂钙钛矿薄膜的应用场景
图A表明该技术实现了 10cm×10cm 大面积均匀薄膜制备，5cm×5cm迷你组件的 PCE 达 22.5%，Voc高达11.5V，证明其具备模块扩展能力。图B、C 突破了传统工艺的平面限制，在 78% R.H. 条件下成功在曲面基底上制备器件，PCE 达23.2%，解决了非可展曲面沉积的应力和界面失配难题。图D 展示了在飞机、猫咪等复杂金属模型上的 conformal 沉积，验证了技术的通用性。图E、F的广角光电探测器进一步拓展了应用场景，其响应角度覆盖 180°，表明该喷涂技术可在保留基底原始结构和设计美学的前提下，实现原位光电器件制备，为建筑集成光伏、车载光电等领域开辟了新路径。
文献来源
X. Feng, F. Xu,C, Peng, et al. Confined crystallization strategy enabling high-quality perovskite film for advanced photovoltaics. Joule, 10, 102228, 2025, In press.
https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.102228仅用于学术分享，如有侵权，请联系删除。
